61e9dd1b32966911993ee8581f4fbdc7dbc2b82d
[ffmpeg.git] / libavutil / aes.c
1 /*
2  * copyright (c) 2007 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
3  *
4  * some optimization ideas from aes128.c by Reimar Doeffinger
5  *
6  * This file is part of FFmpeg.
7  *
8  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
9  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
10  * License as published by the Free Software Foundation; either
11  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
12  *
13  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
14  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
15  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
16  * Lesser General Public License for more details.
17  *
18  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
19  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
20  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
21  */
22
23 #include "common.h"
24 #include "aes.h"
25 #include "aes_internal.h"
26 #include "intreadwrite.h"
27 #include "timer.h"
28
29 const int av_aes_size= sizeof(AVAES);
30
31 struct AVAES *av_aes_alloc(void)
32 {
33     return av_mallocz(sizeof(struct AVAES));
34 }
35
36 static const uint8_t rcon[10] = {
37   0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36
38 };
39
40 static uint8_t     sbox[256];
41 static uint8_t inv_sbox[256];
42 #if CONFIG_SMALL
43 static uint32_t enc_multbl[1][256];
44 static uint32_t dec_multbl[1][256];
45 #else
46 static uint32_t enc_multbl[4][256];
47 static uint32_t dec_multbl[4][256];
48 #endif
49
50 #if HAVE_BIGENDIAN
51 #   define ROT(x, s) (((x) >> (s)) | ((x) << (32-(s))))
52 #else
53 #   define ROT(x, s) (((x) << (s)) | ((x) >> (32-(s))))
54 #endif
55
56 static inline void addkey(av_aes_block *dst, const av_aes_block *src,
57                           const av_aes_block *round_key)
58 {
59     dst->u64[0] = src->u64[0] ^ round_key->u64[0];
60     dst->u64[1] = src->u64[1] ^ round_key->u64[1];
61 }
62
63 static inline void addkey_s(av_aes_block *dst, const uint8_t *src,
64                             const av_aes_block *round_key)
65 {
66     dst->u64[0] = AV_RN64(src)     ^ round_key->u64[0];
67     dst->u64[1] = AV_RN64(src + 8) ^ round_key->u64[1];
68 }
69
70 static inline void addkey_d(uint8_t *dst, const av_aes_block *src,
71                             const av_aes_block *round_key)
72 {
73     AV_WN64(dst,     src->u64[0] ^ round_key->u64[0]);
74     AV_WN64(dst + 8, src->u64[1] ^ round_key->u64[1]);
75 }
76
77 static void subshift(av_aes_block s0[2], int s, const uint8_t *box)
78 {
79     av_aes_block *s1 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 - s);
80     av_aes_block *s3 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 + s);
81
82     s0[0].u8[ 0] = box[s0[1].u8[ 0]];
83     s0[0].u8[ 4] = box[s0[1].u8[ 4]];
84     s0[0].u8[ 8] = box[s0[1].u8[ 8]];
85     s0[0].u8[12] = box[s0[1].u8[12]];
86     s1[0].u8[ 3] = box[s1[1].u8[ 7]];
87     s1[0].u8[ 7] = box[s1[1].u8[11]];
88     s1[0].u8[11] = box[s1[1].u8[15]];
89     s1[0].u8[15] = box[s1[1].u8[ 3]];
90     s0[0].u8[ 2] = box[s0[1].u8[10]];
91     s0[0].u8[10] = box[s0[1].u8[ 2]];
92     s0[0].u8[ 6] = box[s0[1].u8[14]];
93     s0[0].u8[14] = box[s0[1].u8[ 6]];
94     s3[0].u8[ 1] = box[s3[1].u8[13]];
95     s3[0].u8[13] = box[s3[1].u8[ 9]];
96     s3[0].u8[ 9] = box[s3[1].u8[ 5]];
97     s3[0].u8[ 5] = box[s3[1].u8[ 1]];
98 }
99
100 static inline int mix_core(uint32_t multbl[][256], int a, int b, int c, int d){
101 #if CONFIG_SMALL
102     return multbl[0][a] ^ ROT(multbl[0][b], 8) ^ ROT(multbl[0][c], 16) ^ ROT(multbl[0][d], 24);
103 #else
104     return multbl[0][a] ^ multbl[1][b] ^ multbl[2][c] ^ multbl[3][d];
105 #endif
106 }
107
108 static inline void mix(av_aes_block state[2], uint32_t multbl[][256], int s1, int s3){
109     uint8_t (*src)[4] = state[1].u8x4;
110     state[0].u32[0] = mix_core(multbl, src[0][0], src[s1  ][1], src[2][2], src[s3  ][3]);
111     state[0].u32[1] = mix_core(multbl, src[1][0], src[s3-1][1], src[3][2], src[s1-1][3]);
112     state[0].u32[2] = mix_core(multbl, src[2][0], src[s3  ][1], src[0][2], src[s1  ][3]);
113     state[0].u32[3] = mix_core(multbl, src[3][0], src[s1-1][1], src[1][2], src[s3-1][3]);
114 }
115
116 static inline void aes_crypt(AVAES *a, int s, const uint8_t *sbox,
117                          uint32_t multbl[][256])
118 {
119     int r;
120
121     for (r = a->rounds - 1; r > 0; r--) {
122         mix(a->state, multbl, 3 - s, 1 + s);
123         addkey(&a->state[1], &a->state[0], &a->round_key[r]);
124     }
125
126     subshift(&a->state[0], s, sbox);
127 }
128
129 void av_aes_crypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
130                   int count, uint8_t *iv, int decrypt)
131 {
132     while (count--) {
133         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[a->rounds]);
134         if (decrypt) {
135             aes_crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
136             if (iv) {
137                 addkey_s(&a->state[0], iv, &a->state[0]);
138                 memcpy(iv, src, 16);
139             }
140             addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
141         } else {
142             if (iv)
143                 addkey_s(&a->state[1], iv, &a->state[1]);
144             aes_crypt(a, 2, sbox, enc_multbl);
145             addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
146             if (iv)
147                 memcpy(iv, dst, 16);
148         }
149         src += 16;
150         dst += 16;
151     }
152 }
153
154 static void init_multbl2(uint32_t tbl[][256], const int c[4],
155                          const uint8_t *log8, const uint8_t *alog8,
156                          const uint8_t *sbox)
157 {
158     int i;
159
160     for (i = 0; i < 256; i++) {
161         int x = sbox[i];
162         if (x) {
163             int k, l, m, n;
164             x = log8[x];
165             k = alog8[x + log8[c[0]]];
166             l = alog8[x + log8[c[1]]];
167             m = alog8[x + log8[c[2]]];
168             n = alog8[x + log8[c[3]]];
169             tbl[0][i] = AV_NE(MKBETAG(k,l,m,n), MKTAG(k,l,m,n));
170 #if !CONFIG_SMALL
171             tbl[1][i] = ROT(tbl[0][i], 8);
172             tbl[2][i] = ROT(tbl[0][i], 16);
173             tbl[3][i] = ROT(tbl[0][i], 24);
174 #endif
175         }
176     }
177 }
178
179 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
180 int av_aes_init(AVAES *a, const uint8_t *key, int key_bits, int decrypt)
181 {
182     int i, j, t, rconpointer = 0;
183     uint8_t tk[8][4];
184     int KC = key_bits >> 5;
185     int rounds = KC + 6;
186     uint8_t log8[256];
187     uint8_t alog8[512];
188
189     if (!enc_multbl[FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl)-1][FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl[0])-1]) {
190         j = 1;
191         for (i = 0; i < 255; i++) {
192             alog8[i] = alog8[i + 255] = j;
193             log8[j] = i;
194             j ^= j + j;
195             if (j > 255)
196                 j ^= 0x11B;
197         }
198         for (i = 0; i < 256; i++) {
199             j = i ? alog8[255 - log8[i]] : 0;
200             j ^= (j << 1) ^ (j << 2) ^ (j << 3) ^ (j << 4);
201             j = (j ^ (j >> 8) ^ 99) & 255;
202             inv_sbox[j] = i;
203             sbox[i] = j;
204         }
205         init_multbl2(dec_multbl, (const int[4]) { 0xe, 0x9, 0xd, 0xb },
206                      log8, alog8, inv_sbox);
207         init_multbl2(enc_multbl, (const int[4]) { 0x2, 0x1, 0x1, 0x3 },
208                      log8, alog8, sbox);
209     }
210
211     if (key_bits != 128 && key_bits != 192 && key_bits != 256)
212         return AVERROR(EINVAL);
213
214     a->rounds = rounds;
215
216     memcpy(tk, key, KC * 4);
217     memcpy(a->round_key[0].u8, key, KC * 4);
218
219     for (t = KC * 4; t < (rounds + 1) * 16; t += KC * 4) {
220         for (i = 0; i < 4; i++)
221             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC - 1][(i + 1) & 3]];
222         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
223
224         for (j = 1; j < KC; j++) {
225             if (KC != 8 || j != KC >> 1)
226                 for (i = 0; i < 4; i++)
227                     tk[j][i] ^= tk[j - 1][i];
228             else
229                 for (i = 0; i < 4; i++)
230                     tk[j][i] ^= sbox[tk[j - 1][i]];
231         }
232
233         memcpy(a->round_key[0].u8 + t, tk, KC * 4);
234     }
235
236     if (decrypt) {
237         for (i = 1; i < rounds; i++) {
238             av_aes_block tmp[3];
239             tmp[2] = a->round_key[i];
240             subshift(&tmp[1], 0, sbox);
241             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
242             a->round_key[i] = tmp[0];
243         }
244     } else {
245         for (i = 0; i < (rounds + 1) >> 1; i++) {
246             FFSWAP(av_aes_block, a->round_key[i], a->round_key[rounds-i]);
247         }
248     }
249
250     return 0;
251 }
252
253 #ifdef TEST
254 // LCOV_EXCL_START
255 #include <string.h>
256 #include "lfg.h"
257 #include "log.h"
258
259 int main(int argc, char **argv)
260 {
261     int i, j;
262     AVAES b;
263     uint8_t rkey[2][16] = {
264         { 0 },
265         { 0x10, 0xa5, 0x88, 0x69, 0xd7, 0x4b, 0xe5, 0xa3,
266           0x74, 0xcf, 0x86, 0x7c, 0xfb, 0x47, 0x38, 0x59 }
267     };
268     uint8_t pt[16], rpt[2][16]= {
269         { 0x6a, 0x84, 0x86, 0x7c, 0xd7, 0x7e, 0x12, 0xad,
270           0x07, 0xea, 0x1b, 0xe8, 0x95, 0xc5, 0x3f, 0xa3 },
271         { 0 }
272     };
273     uint8_t rct[2][16]= {
274         { 0x73, 0x22, 0x81, 0xc0, 0xa0, 0xaa, 0xb8, 0xf7,
275           0xa5, 0x4a, 0x0c, 0x67, 0xa0, 0xc4, 0x5e, 0xcf },
276         { 0x6d, 0x25, 0x1e, 0x69, 0x44, 0xb0, 0x51, 0xe0,
277           0x4e, 0xaa, 0x6f, 0xb4, 0xdb, 0xf7, 0x84, 0x65 }
278     };
279     uint8_t temp[16];
280     int err = 0;
281
282     av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
283
284     for (i = 0; i < 2; i++) {
285         av_aes_init(&b, rkey[i], 128, 1);
286         av_aes_crypt(&b, temp, rct[i], 1, NULL, 1);
287         for (j = 0; j < 16; j++) {
288             if (rpt[i][j] != temp[j]) {
289                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n",
290                        j, rpt[i][j], temp[j]);
291                 err = 1;
292             }
293         }
294     }
295
296     if (argc > 1 && !strcmp(argv[1], "-t")) {
297         AVAES ae, ad;
298         AVLFG prng;
299
300         av_aes_init(&ae, (const uint8_t*)"PI=3.141592654..", 128, 0);
301         av_aes_init(&ad, (const uint8_t*)"PI=3.141592654..", 128, 1);
302         av_lfg_init(&prng, 1);
303
304         for (i = 0; i < 10000; i++) {
305             for (j = 0; j < 16; j++) {
306                 pt[j] = av_lfg_get(&prng);
307             }
308             {
309                 START_TIMER;
310                 av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 1, NULL, 0);
311                 if (!(i & (i - 1)))
312                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n",
313                            temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
314                 av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 1, NULL, 1);
315                 STOP_TIMER("aes");
316             }
317             for (j = 0; j < 16; j++) {
318                 if (pt[j] != temp[j]) {
319                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n",
320                            i, j, pt[j], temp[j]);
321                 }
322             }
323         }
324     }
325     return err;
326 }
327 // LCOV_EXCL_STOP
328 #endif